一种多功能落体砰击试验装置及试验方法

1.本发明属于落体砰击试验领域，尤其是涉及一种多功能落体砰击试验装置及试验方法。


背景技术：

2.船舶在波浪中航行过程中，砰击载荷作为环境载荷的重要组成部分对船舶结构强度及航行安全有重要影响，目前对砰击载荷的相关研究手段有理论分析数值模拟模型试验等。就目前的研究现状而言，局部结构的模型试验仍是研究砰击载荷最准确最直观的科研手段。在船舶砰击过程中，有垂直入水砰击和倾斜入水砰击两种情况，这一点在整船模型耐波性实验和实船运动观测中体现的极其明显。在落体砰击试验中，要求落体模型与水体的相对冲击速度在大小和方向上能够近似模拟船体局部结构与波浪间的相对冲击速度。由于砰击载荷属于非线性载荷，模型尺度和实船越接近试验对实船航行过程中砰击载荷计算的参考价值越大，因此大尺度模型试验在工程计算中有重要应用，当局部结构模型的尺度在试验中接近实船时，要求砰击试验装置的试验空间和承载能力足够大。
3.对于砰击试验装置目前已经公开了一些专利，如公开号为cn107607292a的一种高速入水砰击试验装置，该装置缺少模型导轨只能用于自由落体试验，无法实现大尺度模型试验和倾斜位移入水，如公开号为cn106556504a的一种可变角度的落体砰击装置，可以控制模型的三维姿态但导轨是垂直状态永久固定的，但无法实现模型倾斜位移入水，如公开号为cn103344393a的一种落体砰击实验的实验装置尽管设有二级抛载滑架，但是无法实现位移调节，因此有必要设计一种多功能落体砰击试验装置来解决上述问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种多功能落体砰击试验装置及试验方法，以解决落体砰击试验中的大尺度模型试验及大尺度模型的倾斜位移入水和模型三维姿态控制问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种多功能落体砰击试验装置，包括定位基座、外部支撑框架、楔形体砰击模型、位移调节装置、导轨组件、姿态调节夹具、模型起吊与释放装置和操作平台，所述的定位基座固定于水池导轨上方，所述的外部支撑框架固定连接在定位基座上，所述操作平台围绕外部支撑框架布置，在外部支撑框架的内部左右两侧各设置一个位移调节装置，在每个位移调节装置上固定设有一个导轨组件，所述的姿态调节夹具安装在两个导轨组件之间，所述的姿态调节夹具设置在外部支撑框架的内部的上部，所述的模型起吊与释放装置设置在外部支撑框架的顶端，所述的位移调节装置和模型起吊与释放装置均与外部支撑框架固定连接，所述的姿态调节夹具与楔形体砰击模型固定连接，所述的模型起吊与释放装置用于起吊和释放所述姿态调整夹具，所述姿态调整夹具用于调整楔形体砰击模型的倾斜角度，通过所述的位移调节装置调节导轨组件的旋转角度，进而调节姿态调节夹具和楔形体砰击模型的倾斜位移入水。
7.更进一步的，所述外部支撑框架为门字形结构，外部支撑框架的侧面的框架分为上中下三部分，其中上部和下部均为定位框架，且上部与下部对称布置用于定位导轨定位框架，中部设有齿轮定位机构，在齿轮定位机构旁设有旋转机台。
8.更进一步的，所述位移调节装置包括轴承齿轮、手摇式齿轮旋转机、止转轭、止转轭插杆和导轨定位框架，在外部支撑框架的上部和下部均设有止转轭和止转轭插杆，每个所述止转轭的两端各通过一小滑块安装在外部支撑框架的最外侧的两个垂向钢管上，小滑块能沿垂向钢管方向进行运动，并能通过卡扣固定，所述止转轭插杆固定在导轨定位框架的靠近外部支撑框架内侧的一侧，所述止转轭插杆穿过对应的止转轭的滑槽设置，所述轴承齿轮安装在齿轮定位结构上，所述轴承齿轮与导轨定位框架固定连接，所述手摇式齿轮旋转机安装在旋转机台上，所述手摇式齿轮旋转机的输出轴上设有齿轮，所述齿轮与轴承齿轮啮合，手摇式齿轮旋转机转动带动轴承齿轮转动从而带动导轨定位框架转动。
9.更进一步的，所述导轨组件包括若干导轨、若干滑块和一个夹具板，若干导轨分别对应固定连接在导轨定位框架的每个垂向钢管上，在每个导轨上配合一个滑块，所述夹具板固定在所有滑块上。
10.更进一步的，所述姿态调节夹具包括若干夹具连轴和升降机组，若干夹具连轴的两端分别与一个夹具板固定连接，所述升降机组包括若干模型升降机，若干夹具连轴分成两组，每组夹具连轴均搭载若干模型升降机，在楔形体模型上装有若干法兰孔式连接盘，且若干法兰孔式连接盘的姿态与角度不同，所述模型升降机上设有与楔形体模型的法兰孔式连接盘在法兰孔处进行螺栓连接的夹具连接盘，通过调节所述模型升降机的高度及与所需的法兰孔式连接盘的连接实现楔形体模型落入水时的横倾、纵倾姿态。
11.更进一步的，所述模型起吊与释放装置包括卷扬机与脱钩器，所述卷扬机与吊放支架相连，所述吊放支架固定在外部支撑框架的上方，卷扬机上的绳子连接滑轮，所述脱钩器连接在滑轮上，起吊时，所述脱钩器与夹具连轴连接。
12.更进一步的，所述夹具连轴设置四根，两两一组，在每组夹具连轴上搭载2-4个模型升降机。
13.更进一步的，所述模型升降机包括丝杠式升降机和升降机悬挂扣，所述丝杠式升降机上带有夹具连接盘，升降机悬挂扣与丝杠式升降机之间采用螺栓固定连接在夹具连轴上。
14.更进一步的，所述操作平台与外部支撑框架和定位基座连接，使用时在操作平台上方铺设木板；所述外部支撑框架通过框架定位夹板与定位基座连接。
15.一种多功能落体砰击试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：
16.步骤1：将安装完成后的试验装置利用手摇式齿轮旋转机将导轨旋转至指定角度，松开止转轭的卡扣，调节止转轭至合适的位置，将位于导轨定位框架上的止转轭插杆套入止转轭中，拧紧止转轭的卡扣，固定止转轭的位置；
17.步骤2：将所有模型升降机调节到指定高度，再将姿态调节夹具对应放置在近水面位置，将楔形体砰击模型与法兰孔式连接件及模型升降机进行连接；
18.步骤3：通过模型起吊与释放装置将楔形体砰击模型提拉至指定高度，然后释放，楔形体砰击模型与姿态调节夹具会一起沿导轨方向落入水中，从而实现一次模型入水砰击；
19.步骤4：若需要实现相同工况下的模型入水砰击试验，则重复步骤3，且通过调节卷扬机提拉的模型高度实现不同高度下模型的落体砰击试验需求；
20.若需要调节模型姿态则需要断开楔形体砰击模型与姿态调节夹具的连接，则重复步骤2和步骤3实现不同模型姿态的入水砰击试验；
21.若需要调节模型位移方向则断开楔形体砰击模型与姿态调节夹具的连接，则重复步骤1至步骤3，实现模型不同位移方向的入水砰击试验。
22.与现有技术相比，本发明所述的一种多功能落体砰击试验装置及试验方法的有益效果是：
23.1、本技术通过位移调节装置可以调节模型入水的位移和速度方向，通过夹具调节模型的三维姿态，其结构简单可靠，操作合理方便，可以实现对模型姿态和速度的精准控制，制造成本低，实验结束可拆卸，可以在专业砰击水池试验也可以在多功能拖曳水池进行临时试验。
24.2、本技术的导轨可以进行旋转，可以在不用电机控制的情况下进行模型倾斜位移入水试验研究。
25.3、本技术的夹具组与模型定点连接，可通过调节升降机上的丝杠高度精确控制大尺度模型三维姿态，调节模型姿态的操作相比于其他类似专利更简单。
26.4、本技术的试验装置内部的模型运动空间和夹具承载能力足够大，可以进行大尺度模型试验。
27.5、本技术的夹具搭载的模型升降机数量可以进行调节，可以承载和控制的模型尺度范围更大。
28.6、本技术的落体砰击试验装置可在试验完成后拆卸和二次拼接，节约拖曳水池空间。
附图说明
29.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明实施例所述的一种多功能落体砰击试验装置的轴测图；
31.图2为本发明实施例所述的一种多功能落体砰击试验装置的侧视图；
32.图3为本发明实施例所述的一种多功能落体砰击试验装置的主视图(去除定位基座)；
33.图4为姿态调节夹具的结构示意图；
34.图5为模型起吊与释放装置的结构示意图；
35.图6为姿态调节夹具夹紧某一姿态的楔形体砰击模型的示意图。
36.附图标记说明：
37.1、定位基座；2、框架定位夹板；3、外部支撑框架；4、楔形体砰击模型；5、止转轭；6、齿轮定位卡板；7、轴承齿轮；8、手摇式齿轮旋转机；9、导轨定位框架；10、旋转机台；11、止转轭插杆；12、导轨；13、滑块；14、夹具板；15、夹具连轴；16、丝杠式升降机；17、螺栓；18、法兰孔式连接件；19、升降机悬挂扣；20、砰击架横梁；21、卷扬机；22、滑轮；23、脱钩器；24、操作平台。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
39.如图1-图6所示，一种多功能落体砰击试验装置，包括定位基座1、外部支撑框架3、楔形体砰击模型4、位移调节装置、导轨组件、姿态调节夹具、模型起吊与释放装置和操作平台24，所述的定位基座1固定于水池导轨上方，所述的外部支撑框架3固定连接在定位基座1上，所述操作平台24围绕外部支撑框架3布置，在外部支撑框架3的内部左右两侧各设置一个位移调节装置，在每个位移调节装置上固定设有一个导轨组件，所述的姿态调节夹具安装在两个导轨组件之间，所述的姿态调节夹具设置在外部支撑框架3的内部的上部，所述的模型起吊与释放装置设置在外部支撑框架3的顶端，所述的位移调节装置和模型起吊与释放装置均与外部支撑框架3固定连接，所述的姿态调节夹具与楔形体砰击模型4固定连接，所述的模型起吊与释放装置用于起吊和释放所述姿态调整夹具，所述姿态调整夹具用于调整楔形体砰击模型4的倾斜角度，通过所述的位移调节装置调节导轨组件的旋转角度，进而调节姿态调节夹具和楔形体砰击模型4的倾斜位移入水。
40.所述外部支撑框架3为门字形结构，外部支撑框架3的侧面的框架分为上中下三部分，其中上部和下部均为定位框架，且上部与下部对称布置用于定位导轨定位框架9，中部设有齿轮定位机构，在齿轮定位机构旁设有旋转机台10。
41.所述位移调节装置包括轴承齿轮7、手摇式齿轮旋转机8、止转轭5、止转轭插杆11和导轨定位框架9，在外部支撑框架3的上部和下部均设有止转轭5和止转轭插杆11，每个所述止转轭5的两端各通过一小滑块安装在外部支撑框架3的最外侧的两个垂向钢管上，小滑块能沿垂向钢管方向进行运动，并能通过卡扣固定，所述止转轭插杆11固定在导轨定位框架9的靠近外部支撑框架3内侧的一侧，所述止转轭插杆11穿过对应的止转轭5的滑槽设置，所述轴承齿轮7安装在齿轮定位结构上，所述轴承齿轮7与导轨定位框架9固定连接，所述手摇式齿轮旋转机8安装在旋转机台10上，所述手摇式齿轮旋转机8的输出轴上设有齿轮，所述齿轮与轴承齿轮7啮合，手摇式齿轮旋转机8转动带动轴承齿轮7转动从而带动导轨定位框架9转动。
42.位移调节装置中的止转轭5利用滑块和卡扣固定在外部支撑框架3的垂向钢管上，滑块可以沿垂向钢管的方向进行运动和固定，止转轭插杆12则可在止转轭5内部的水平方向上进行移动，止转轭插杆11和止转轭5可将导轨12的旋转运动转化为平面上的水平运动和垂直运动，进而实现对导轨旋转角度的精确控制；
43.齿轮定位机构为齿轮固定卡板6，齿轮固定卡板6焊接在外部支撑框架3的中部，齿轮固定卡板6内部有一个与轴承齿轮7内孔大小一致的环形结构，确保轴承齿轮7可以套在齿轮固定卡板6上进行旋转运动，轴承齿轮7与导轨定位框架9之间采用螺栓连接，导轨定位框架9与导轨12采用螺栓固定连接，在轴承齿轮7旋转运动的过程中可以带动导轨12进行相同角度的旋转运动，手摇式齿轮旋转机8与齿轮轴承6之间通过齿轮齿连接在一起并通过螺栓固定在旋转机台10上，旋转机台10焊接在外部支撑框架3上，由此通过旋转机8的旋转带动齿轮轴承7的运动，进而实现导轨12的转动，通过止转轭5和止转轭插杆11对转动的导轨12进行定位，进而实现对楔形体模型4落水位移方向的精确控制。
44.所述导轨组件包括若干导轨12、若干滑块13和一个夹具板14，若干导轨12分别对应固定连接在导轨定位框架9的每个垂向钢管上，在每个导轨12上配合一个滑块13，所述夹具板14固定在所有滑块13上。
45.所述姿态调节夹具包括若干夹具连轴15和升降机组，若干夹具连轴15的两端分别与一个夹具板14固定连接，所述升降机组包括若干模型升降机，若干夹具连轴15分成两组，每组夹具连轴15均搭载若干模型升降机，具体可以为：所述夹具连轴15设置四根，两两一组，在每组夹具连轴15上搭载2-4个模型升降机；
46.在楔形体模型上装有若干法兰孔式连接盘，且若干法兰孔式连接盘的姿态与角度不同，即，不同姿态和入水角度对应的法兰孔式连接盘18是不同的，所述模型升降机包括丝杠式升降机16和升降机悬挂扣19，所述丝杠式升降机16上带有夹具连接盘，升降机悬挂扣19与丝杠式升降机16之间采用螺栓17固定连接在夹具连轴15上；所述模型升降机上设有与楔形体模型的法兰孔式连接盘在法兰孔处进行螺栓17连接的夹具连接盘，通过调节所述模型升降机的高度及与所需的法兰孔式连接盘的连接实现楔形体模型落入水时的横倾、纵倾等非水平姿态的精准控制。
47.所述模型起吊与释放装置包括卷扬机21与脱钩器23，卷扬机21可用于起吊模型，脱钩器23用于提拉和释放模型，所述卷扬机21与吊放支架相连，所述吊放支架固定在外部支撑框架3的上方，卷扬机21上的绳子连接滑轮22，所述脱钩器23连接在滑轮22上，起吊时，所述脱钩器23与夹具连轴15连接；
48.吊放支架包括砰击架横梁20和吊梁，所述吊梁两端各与宇哥砰击架横梁20连接，两个砰击架横梁20固定连接在外部支撑框架3上方；砰击架横梁20与外部支撑框架3之间采用螺栓连接，砰击架横梁20上有卷扬机21两者采用螺栓连接固定在砰击架横梁20中部的钢板上。
49.所述操作平台24与外部支撑框架3和定位基座1连接，使用时在操作平台24上方铺设木板，进而实现人员绕砰击架的走动；所述外部支撑框架3通过框架定位夹板2与定位基座1进行螺栓连接，从而将砰击试验装置稳定地固定在拖曳水池的合适位置。
50.定位基座1可在一般拖曳水池的导轨上进行移动，移动至合适位置用夹具进行固定。所述定位基座1包括三根工字梁或槽钢、钢管和框架定位夹板并设有螺纹孔，基座的主要承载结构是三根工字梁或槽钢，由钢管焊接连接，可与外部框架进行螺栓连接，所述定位基座通过螺钉和卡扣固定于拖曳水池的导轨上方。
51.一种多功能落体砰击试验装置的安装流程：
52.首先将定位基座1放置在拖曳水池的航车导轨上，并将定位基座通过f型夹固定在航车导轨上，再将定位基座1与外部支撑框架3采用螺栓在框架定位夹板2处进行固定连接，并将砰击架横梁20固定连接在外部支撑框架3顶部；再将齿轮轴承7套在齿轮定位卡板6上，再将手摇式齿轮旋转机8固定在旋转机台10上；再将导轨定位框架9固定连接在齿轮轴承7上，再将止转轭5穿过止转轭插杆12固定在外部支撑框架3上，再将导轨12固定在导轨定位框架9上，再将导轨滑块13固定在导轨12上；
53.将夹具板14与夹具连轴15进行螺栓固定，将丝杠式升降机16及升降机悬挂扣19通过螺栓17固定在夹具连轴15上，由此组成完整的姿态调节夹具，再将姿态调节夹具与导轨滑块13进行固定连接；
54.将滑轮22与脱钩器23进行固定连接，并将滑轮22与卷扬机21进行连接，再将卷扬机21固定连接在砰击架横梁20的中间位置；再将操作平台24用螺栓固定连接在定位基座1上。
55.一种多功能落体砰击试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：
56.步骤1：将安装完成后的试验装置利用手摇式齿轮旋转机8将导轨12旋转至指定角度，松开止转轭5的水平与垂向卡扣，调节止转轭5至合适的位置，将位于导轨定位框架9上的止转轭插杆11套入止转轭中，拧紧止转轭的水平与垂向卡扣，固定止转轭5的位置；
57.步骤2：将所有模型升降机调节到指定高度，再将姿态调节夹具对应放置在近水面位置，方便将楔形体砰击模型4与法兰孔式连接件18及模型升降机进行连接；
58.步骤3：通过模型起吊与释放装置将楔形体砰击模型4提拉至指定高度，然后释放，楔形体砰击模型4与姿态调节夹具会一起沿导轨12方向落入水中，从而实现一次模型入水砰击；
59.具体可以为：将脱钩器23挂钩放下，挂在夹具连轴15上，闭合脱钩器23挂钩，采用卷扬机21将楔形体砰击模型4提拉至指定高度，松开脱钩器23挂钩，楔形体砰击模型4与姿态调节夹具会一起沿导轨12方向落入水中，从而实现一次模型入水砰击；
60.步骤4：若需要实现相同工况下的模型入水砰击试验，则重复步骤3，且通过调节卷扬机21提拉的模型高度实现不同高度下模型的落体砰击试验需求；
61.若需要调节模型姿态则需要断开楔形体砰击模型4与姿态调节夹具的连接，则重复步骤2和步骤3实现不同模型姿态的入水砰击试验；
62.若需要调节模型位移方向则断开楔形体砰击模型4与姿态调节夹具的连接，则重复步骤1至步骤3，实现模型不同位移方向的入水砰击试验。
63.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。